첫 번째 원리 계산을 통한 산화세륨의 결정 안정화에 대한 전이금속 도핑 효과

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10103(2022) 이 기사 인용

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최근에는 수소에너지가 주목받고 있으며, 태양열에너지를 이용한 수소가스 생산이 이루어지고 있다. Kodama 등의 연구. 순환반응은 산화세륨과의 2단계 열적 산화환원 반응을 통해 효율적으로 수소가스를 생성할 수 있다고 보고되었다. 산화세륨에 전이금속을 도핑하면 반응효율이 향상된다. 우리는 열적 2단계 산화환원 반응에 대한 도핑 효과를 고려했습니다. DV-Xα법에 의한 계산 결과, 2단계 열산화환원 반응에서 세리아 결정 구조의 변화 없이 도핑된 산화세륨이 강한 결합, 큰 BOP 값이 되는 것이 밝혀졌다. 이론적 계산 결과는 실험 결과의 열반응의 반응 효율 향상과 일치하였다.

최근 전 세계 수소가스 생산량은 약 7,000억 Nm3에 달하며, 이는 6억 대 이상의 연료전지 차량에 연료를 공급하기에 충분한 양입니다. 그러나 수소가스의 약 절반은 천연가스에서 만들어집니다. 수소의 거의 1/3은 정유소에서 원유로 만들어집니다. 그리고 대부분의 수소 가스는 정유소에서 소비됩니다1. 이러한 배경에서 영구적으로 사용할 수 있는 태양에너지를 중심으로 태양열에너지를 이용한 지속가능한 수소에너지 생산에 대한 많은 연구들도 보고되고 있다2,3,4,5. 태양에너지는 태양에서 지구로 에너지를 방출하는 에너지로, 신재생에너지로 분류됩니다. 이는 연간 약 400만 EJ(1 EJ = 1018 J)에 해당합니다6.

이론적으로 추출할 수 있는 에너지의 양은 약 19,000EJ 정도이며, 기술적으로 추출할 수 있는 에너지의 양은 약 1900EJ 정도에 불과한 것으로 추정됩니다. 또한 인간 생활에서 연간 약 20EJ 에너지를 소비하는 것으로 추정됩니다. 막대한 양의 태양 에너지를 다른 에너지로 변환할 수 있다면 우리는 생활에 필요한 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다7. 따라서 수소 에너지 생산에 태양 에너지를 사용하는 것이 합리적입니다. 또한 운송, 운영 등 공급망에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다8. 수소가스는 액체수소나 메탄올, 암모니아, 메틸사이클로헥산(MCH) 등의 액체연료로 전환된 뒤 유조선이나 트럭으로 운반되기도 한다. 수소에너지 생산 기반도 크게 발전하고 있어 수소에너지 생산의 중요성이 높아지고 있다1,9,10. 실험실 실험11,12,13,14,15,16에서는 빔다운 태양광 집광기를 이용한 수소가스 생산 실증 실험이 다수 수행되었으며17,18,19,20, 수소가스 생산의 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

수소가스 생산에는 2단계 열산화환원반응이 사용됩니다. 2단계 열적 산화환원반응은 고온(>1000 ℃)에서 산소가 탈착되는 환원반응(1단계: 식 1)과 산소에 의한 산화반응(2단계: 식 2)으로 구성된 순환적 산화환원반응이다. 저온(< 1000 ℃)에서 흡착. 열산화반응(2단계)에서는 고온의 증기 하에서 물분자를 분해하여 효율적으로 수소가스를 생산하는 것이 가능하다14.

수소 생산 반응 외에도 열적 산화환원 반응은 CO2 개질 메탄에도 사용될 수 있으므로 2단계 열적 산화환원 반응의 적용 범위가 넓습니다.

2단계 열적 산화환원 반응에서는 수소가스 생산 효율을 향상시키기 위해 다양한 금속 산화물을 촉매 반응 세라믹으로 사용했습니다. Ehrhartet al. 수소 가스 생산 연구 초기에 헤르시나이트(FeAl2O4)를 사용했습니다23. Wong et al. Co3O4/CoO 및 Mn2O3/Mn3O424의 열 산화환원 반응을 사용하여 열화학적 열 저장(TCS) 재료를 탐색했습니다. 다른 연구 그룹도 Mn2O3/Mn3O4, Co3O4/CoO 및 CuO/Cu2O25,26,27,28,29와 같은 2단계 열 산화환원 반응을 보고했습니다. Kodamaet al. Fe3O4/c-YSZ, NiFe2O430, NiFe2O4/m-ZrO2, Fe3O4/m-ZrO231, Fe3O4/m-ZrO2/MPSZ32,33을 이용한 다양한 수소생산 물질을 보고하였다. 이러한 실험 중 산화세륨에 대한 연구가 최근 추진되고 있다34,35,36,37. 산화세륨은 산소저장능력(OSC) 소재로 사용되는 란타노이드 산화물(CeO2)의 일종이다. 촉매와 열적 2단계 산화환원반응에 적용할 수 있음을 확인하였다.